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Transferencia de calor – Holman 8va edición

“AÑO DE LA LUCHA CONTRA LA CORRUPCIÓN E IMPUNIDAD”

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA

“Transferencia de Calor” DATOS INFORMATIVOS:

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Facultad Curso Carácter del curso Ciclo de estudios Semestre Académico Docente responsable DATOS DEL ALUMNO:

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Nombres y Apellidos Código

: Ingeniería : Transferencia de Calor : Obligatorio : VIIl : 2019-II : Msc. Hugo R. Calderón Torres

: Llontop Polo Gerson David : 0201616025 Nvo. Chimbote, 12 de octubre del 2019

Transferencia de calor – Holman 8va edición 2.1 Se va a construir una pared de 2 cm de espesor con un material que tiene una conductividad térmica media de 1.3 W/m.°C Se va a aislar la pared con un material que tiene una conductividad térmica media de 0.35 W/m.°C de modo que la pérdida de calor por metro cuadrado no superará 1.830 W. Suponiendo que las temperaturas de las superficies interna y externa de la pared aislada son 1.300 y 30°C. Calcúlese el espesor de aislante necesario.

Transferencia de calor – Holman 8va edición 2.2. Cierto material de 2.5 cm de espesor, con un área de 0.1 m2 de sección transversal, mantiene una de sus caras a 35 °C y la otra a 95 °C. La temperatura en el plano central del material es 62 °C y el flujo de calor a través del material es 1 kW. Obténgase una expresión para la conductividad térmica del material en función de la temperatura.

Transferencia de calor – Holman 8va edición 2.4 Encuéntrese la transferencia de calor por unidad de área, a través de la pared compuesta esquematizada. Supóngase flujo unidimensional

Transferencia de calor – Holman 8va edición 2.5. Una cara de un bloque de cobre de 5 cm de espesor se mantiene a 260 °C La otra cara está cubierta con una capa de fibra de vidrio de 2.5 cm de espesor. El exterior de la fibra de vidrio se mantiene a 38 °C y el flujo total de calor a través del conjunto cobre-fibra de vidrio es 44 Kw. ¿Cuál es el área del bloque?

Transferencia de calor – Holman 8va edición 2.7. Una cara de un bloque de cobre de 4 cm de espesor se mantiene a 175 °C. La otra cara está cubierta con una capa de fibra de vidrio de 1.5 cm de espesor. El exterior de la fibra de vidrio se mantiene a 80 °C y el flujo total de calor a través del bloque compuesto es 300 kW. ¿Cuál es el área del bloque?

Transferencia de calor – Holman 8va edición 2.9. Un material determinado tiene un espesor de 30 cm y una conductividad térmica de 0.04 W/m.°C . En un instante dado la distribución de temperaturas en función de x, distancia desde la cara izquierda, es T = 150x2 -30x, donde x está en metros. Calcúlese el flujo de calor por unidad de área en x = 0 y x = 30 cm. ¿se está enfriando o calentando el sólido?

Transferencia de calor – Holman 8va edición 2.10. Una pared está construida con 2,0 cm de cobre, 3,0 mm de lámina de asbesto k = 0,166 W/m.°C y 6.0 cm de fibra de vidrio. Calcúlese el flujo de calor por unidad de área para una diferencia de temperatura total de 500°C.

Transferencia de calor – Holman 8va edición 2.11. Una pared está construida con una chapa de 4 mm de espesor de acero inoxidable [k = 16 W/m.°C] con capas de plástico idénticas a ambos lados del acero. El coeficiente de transferencia de calor global, considerando convección a ambos lados del plástico, es 120 W/m2°C. Si la diferencia total de temperatura a través del conjunto es 60 °C , calcúlese la diferencia de temperaturas a través del acero inoxidable.

Transferencia de calor – Holman 8va edición 2.23. La pared de una casa se puede aproximar por dos capas de 1.2 cm de plancha de fibra aislante, una capa de 8.0 cm de asbesto poco compacta, y una capa de 10 cm de ladrillo corriente. Suponiendo coeficientes de transferencia de calor por convección de 15 W/m 2°C en ambas caras de la pared, calcúlese el coeficiente global de transferencia de calor de este conjunto.

Transferencia de calor – Holman 8va edición 2.17. Una tubería de acero de 5 cm de diámetro exterior (DE) está recubierta por un aislamiento de 6,4 mm de asbesto k = 0,166 W/m. °C, seguido de una capa de 2,5 cm de fibra de vidrio k = 0,048 W/m. °C. La temperatura de la pared de la tubería es 315 °C, y la temperatura del exterior del aislamiento es 38 °C. Calcúlese la temperatura de la interfaz entre el asbesto y la fibra de vidrio.

Transferencia de calor – Holman 8va edición 2.19. Un cable de 1.0 mm de diámetro se mantiene a 400°C y está expuesto a un entorno convectivo a 40 °C con h = 120 W/m 2 . °C. Calcúlese la conductividad térmica de un aislante cuyo espesor, de exactamente 0,2 mm, proporcione un «radio crítico». ¿Qué cantidad de este aislante hay que añadir para reducir la transferencia de calor en un 75 por 100 con respecto a la experimentada por el cable desnudo?

Transferencia de calor – Holman 8va edición 2.22. Una tubería de vapor caliente con una temperatura superficial interna de 250°C tiene un diámetro interior de 8 cm y un espesor de pared de 5,5 mm. Ésta está recubierta de una capa de 9 cm de un aislante que tiene k = 0,5 W/m. °C, seguida de una capa de 4 cm de aislante con k = 0,25 W/m. °C. La temperatura exterior del aislamiento es 20 °C. Calcúlese la pérdida de calor por metro de longitud. Supóngase k = 47 W/m. °C para la tubería.

Transferencia de calor – Holman 8va edición 2.49. Por el interior de una tubería de aluminio de 2,5 cm de diámetro interior (DI) circula agua. El espesor de la pared es 2 mm, y el coeficiente de convección en el interior es 500 W/m2. °C. El coeficiente de convección en el exterior es 12 W/m 2. °C. Calcúlese el coeficiente global de transferencia de calor. ¿Cuál es el principal factor determinante de U?

Transferencia de calor – Holman 8va edición 2.50. La tubería del Problema 2.49 está recubierta de una capa de asbesto [k = 0,18 W/m.°C] mientras continúa estando rodeada por un entorno convectivo con h = 12 W/m2. °C. Calcúlese el radio crítico de aislamiento. ¿Aumentará o disminuirá la transferencia de calor añadiendo un espesor de aislante de (a) 0,5 mm, (h) 10 mm?

2.53. Por el interior de un tubo de paredes finas de acero inoxidable circula aire a 120

Transferencia de calor – Holman 8va edición °C con h = 65 W/m2 . °C. El diámetro interior del tubo es 2,5 cm y el espesor de la pared es 0,4 mm. Para el acero, k = 18 W/m. °C. El tubo está expuesto a un entorno con h = 6,5 W/m2 . °C y Text = 15 °C. Calcúlese el coeficiente global de transferencia de calor y la pérdida de calor por metro de longitud. ¿Qué espesor de un aislante con k = 40 W/m. °C habría que añadir para reducir la pérdida de calor en un 90 por 100?

2.13. Un depósito esférico, de 1 m de diámetro, se mantiene a una temperatura de 120°C y está expuesto a un entorno convectivo. Con h = 25 W/m2 . °C y Ta = 15 °C,

Transferencia de calor – Holman 8va edición ¿qué espesor de espuma de uretano habría que añadir para asegurarse de que la temperatura externa del aislante no sobrepasa los 40 °C? ¿Qué tanto por ciento de reducción de pérdida de calor se obtiene al instalar este aislante?

2.14. Una esfera hueca está fabricada de aluminio, con un diámetro interior de 4 cm y un diámetro exterior de 8 cm. La temperatura interior es de 100 °C y la temperatura exterior es 50 °C. Calcúlese la transferencia de calor.

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2.15. Supóngase que la esfera del Problema 2.14 está recubierta por una capa de 1 cm de un material aislante con k = 50 W/m. °C y el exterior del aislante está expuesto a un entorno con h = 20 W/m2 °C y Ta = 10 °C. El interior de la esfera se mantiene a 100 °C. Calcúlese la transferencia de calor bajo estas condiciones.

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2.34. Un determinado material semiconductor tiene una conductividad de 0,0124 W/cm. °C. Una barra rectangular de ese material tiene un área de sección recta de 1 cm2 y una longitud de 3 cm. Se mantiene un extremo a 300 °C y el otro a 100 °C, y la barra conduce una corriente de 50 A. Suponiendo que la superficie longitudinal está aislada, calcúlese la temperatura en el punto medio de la barra. Tómese la resistividad como 1,5 x 10-3 Ω.cm.

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2.38.En una placa de acero inoxidable cuya k = 20 W/m °C, se genera calor de manera uniforme. El espesor de la placa es 1,0 cm y la generación de calor es 500 MW/m3. Si las dos caras de la placa se mantienen a 100 y 200 °C, respectivamente, calcúlese la temperatura en el centro de la placa

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2.39. Una placa con un espesor de 4,0 mm tiene una generación interna de calor de 200 MW/m3 y una conductividad térmica de 25 W/m. °C. Una cara de la placa está aislada y la otra cara se mantiene a 100 °C. Calcúlese la temperatura máxima de la placa.

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2.60. Una varilla de aluminio de 2,5 cm de diámetro y 15 cm de largo Sobresale de una pared que se mantiene a 260°C. La varilla está Expuesta a un ambiente a 16°C. El coeficiente de transferencia de Calor por convección es 15 W/m’. “C. Calcúlese el calor perdido por la varilla.

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2.63. Una varilla de cobre fina y larga, de 6,4 mm de diámetro está expuesta a un ambiente a 20 “C. La temperatura de la base de la varilla es 150°C. El coeficiente de transferencia de calor entre la varilla y el ambiente es 24 W/m 2. “C. Calcúlese el calor liberado por la varilla.

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2.65. Una aleta de aluminio de 1,6 mm de espesor está colocada sobre un tubo circular de 2,5 cm de diámetro exterior (DE). La aleta tiene 6,4 mm de largo. La pared del tubo se mantiene a 15O”C, la temperatura del ambiente es 15 T, y el coeficiente de transferencia de calor por convección es 23 W/m2 ‘“C. Calcúlese el calor perdido por la aleta.

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2.69. Una aleta anular de perfil rectangular rodea un tubo de 2,s cm de diámetro. La longitud de la aleta es 6,4 mm, y el espesor es de 3,2 mm. La aleta está fabricada con acero templado. Si se sopla aire sobre la aleta de modo que se alcance un coeficiente de transferencia de calor de 28 W/m* . “C, y las temperaturas de la base y el aire son 260 y 93 OC, respectivamente, calcúlese la transferencia de calor desde la aleta.

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2.71. Una aleta de aluminio de 1,6 mm de espesor rodea un tubo de 25 cm de diámetro. La longitud de la aleta es 125 mm. La temperatura de la pared del tubo es 2OO”C, y la temperatura del ambiente es 20°C. El coeficiente de transferencia de calor es 60 W/m 2 .“C. ¿Cuál es el calor perdido por la aleta?

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2.94. Una aleta anular de perfil rectangular está fijada a un tubo de 3,0 cm de diámetro mantenido a 100°C. El diámetro exterior de la aleta es de 9,0 cm y el espesor de la aleta es 1,0 mm. El ambiente tiene un coeficiente de convección de 50 W/m2. “C y una temperatura de 30 “C. Calcúlese la conductividad térmica del material para un rendimiento de aleta del 60 por 100.

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2.3. Calcule la tasa de pérdida de calor por pie y resistencia térmica de un tubo de acero cedula 40 por 6 in con una capa de 3 pulgadas de espesor. Por el interior del tubo fluye vapor sobrecalentado a 300 ° (30 Btu / h ft2 ° F), y en el exterior el aire está quieto a 60° F (h 5 Btu / h ft2 ° F).

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2.7. Calcule la razón de perdida de calor por unidad de longitud de un tubo de acero de 2 in de diámetro interno 2 3/8 in de diámetro externo cubierto con un aislante para alta temperatura de 0.065 Btu / h ft y un espesor de 0.5 pulg. Por el tuvo fluye vapor que tiene una calidad del 99% y está a 300 ° F. La resistencia térmica unitaria en la pared interna es de 0.015 h ft2 ° F / Btu, El coeficiente de transferencia en la superficie externa es de 3.0 Btu / h ft2 ° F, y la temperatura ambiente es de 60 ° F.

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2.10. Un vendedor de material aislante afirma que recubrir con su producto los tubos exteriores de vapor que se encuentra en el sótano de un gran hotel producirá una mejoría ellos costos. Suponga que por un tubo de acero de 30 cm de diámetro externo y 3 cm de espesor de pared fluye vapor saturado a 5.7 bar. El tuvo está rodeado por aire a 20°C y se calcula que el coeficiente de transferencia de calor por convección en la superficie externa del tubo es de 25 W/m2. ° K. Se estima que el costo de generar vapor es de $5 por 109J, y el vendedor ofrece instalar una capa de 5 cm por un costo de $200/m o una capa de 10 cm por $300/m. Calcule el periodo de recuperación de la inversión para estas dos alternativas, suponiendo que la línea de vapor opera todo el año, y se hace una recomendación al propietario del hotel. Suponga que la superficie del tubo y el aislante tiene baja emisividad y que la transferencia de calor por radiación es insignificante.

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3.54 Una esfera hueca de aluminio, con un calentador eléctrico en el centro, se utiliza en pruebas para determinar la conductividad térmica de materiales aislantes. Los radios interior y exterior de la esfera son 0.15 y 0.18 m, respectivamente, y la prueba se hace en condiciones de estado estable, en las que la superficie interna del aluminio se mantiene a 250°C. En una prueba particular, una capa esférica de aislante se funde sobre la superficie externa de la esfera y alcanza un espesor de 0.12 m. El sistema está en un cuarto para el que la temperatura del aire es 20°C, y el coeficiente de convección en la superficie externa del aislante es 30 W/m2·K. Si se disipan 80 W por el calentador bajo condiciones de estado estable, ¿cuál es la conductividad térmica del aislante?

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3.55. Un tanque esférico para almacenar oxígeno líquido en un transbordador espacial se construye de acero inoxidable de 0.80 m de diámetro exterior y una pared de 5 mm de espesor. El punto de ebullición y la entalpía de fusión del oxígeno líquido son 90 K y 213 kJ/kg, respectivamente. El tanque se instalará en un compartimiento grande cuya temperatura se mantendrá a 240 K. Diseñe un sistema de aislamiento térmico que mantenga las pérdidas de oxígeno debidas a la ebullición por debajo de 1 kg/día.

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3.57. Una capa esférica compuesta de radio interior r1 = 0.25 m se construye de plomo de radio exterior r2 = 0.30 m y acero inoxidable AISI 302 de radio exterior r3 = 0.31 m. La cavidad se llena de desechos radioactivos que generan calor a una razón de q � = 5×105 W/m3. Se propone sumergir el contenedor en aguas oceánicas que están a una temperatura de T∞ = 10°C y que proporcionan un coeficiente de convección uniforme h = 500 W/m2·K en la superficie externa del contenedor. ¿Hay algún problema asociado con esta propuesta?

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3.67. Considere la conducción unidimensional en una pared plana compuesta. Las superficies externas se exponen a un fluido a 25°C y un coeficiente de transferencia de calor de 1000 W/m2·K. La pared intermedia B experimenta una generación uniforme de calor B q � , mientras que no hay generación en las paredes A y C. Las temperaturas en las interfases son T1 = 261°C y T2 = 211°C. (a) Suponiendo una resistencia de contacto insignificante en las interfases, determine la generación volumétrica de calor qB y la conductividad térmica kB. (b) Elabore una gráfica de la distribución de temperaturas mostrando sus características importantes. (c) Considere condiciones que correspondan a una pérdida de refrigerante en la superficie expuesta de material A (h = 0). Determine T1 y T2 y elabore una gráfica de la distribución de temperaturas a través del sistema.

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3.79. Un cable de cobre de 30 mm de diámetro tiene una resistencia eléctrica de 5×10-3 Ω/m y se usa para conducir una corriente eléctrica de 250 A. El cable se expone al aire del ambiente a 20°C, y el coeficiente de convección asociado es 25 W/m2·K. ¿Cuáles son las temperaturas de la superficie y de la línea central del cobre?

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2.39. Una mezcla química reactiva se almacena en un contenedor esférico de pared delgada cuyo radio es r1 = 200 mm, y la reacción exotérmica genera calor a una razón volumétrica uniforme, pero dependiente de la temperatura de q � = o q � exp(-A/To), donde o q � = 5000 W/m3, A = 75 K, y To es la temperatura de la mezcla en kelvin. El recipiente está encerrado por un material aislante de radio exterior r2, conductividad térmica k y emisividad ε. La superficie externa del aislante experimenta una transferencia de calor por convección y un intercambio neto de radiación con el aire adyacente y los alrededores, respectivamente. (a) Escriba la forma de estado estable de la ecuación de difusión de calor para el aislante. Verifique que esta ecuación se satisfaga con la distribución de temperaturas

Dibuje la distribución de temperaturas, T(r), y señale las características clave. (b) Aplicando la ley de Fourier, muestre que la rapidez de transferencia de calor por conducción a través del aislante se expresa como

Aplicando un balance de energía a una superficie de control alrededor del recipiente, obtenga una expresión alternativa para qr y exprese sus resultados en términos de q � y r1.

Transferencia de calor – Holman 8va edición (c) Aplicando un balance de energía a una superficie de control alrededor de la superficie externa del aislante, obtenga una expresión de la cual Ts, 2 pueda determinarse como función de q � , r1, h, T∞, ε y Talr. (d) El ingeniero de procesos desea mantener una temperatura de reactor de To = T(r1) = 95°C en condiciones para las que k = 0.05 W/m·K, r2 = 208 mm, h = 5 W/m2·K, ε = 0.9, T∞ =25°C y Talr 35°C. ¿Cuál es la temperatura de la superficie externa del aislante, Ts, 2? (c) Calcule y elabore una gráfica de la variación de Ts, 2 con r2 para 201 ≤ r2 ≤ 210 mm. El ingeniero está preocupado por las lesiones y quemaduras que pueda sufrir el personal que esté en contacto con la superficie expuesta del aislante. ¿El aumento del espesor del aislante es una solución práctica para mantener Ts, 2 ≤ 45°C? ¿Qué otros parámetros hay que variar para reducir Ts, 2?